一種新型高精度傳感器可拓展型測試系統(tǒng)的數(shù)字化設計*

周少帥亓岳巖董鈞港張會新*

(1.中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；3.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

近年來，隨著飛行器測量技術(shù)飛速發(fā)展，壓力采編系統(tǒng)應運而生，記錄下的數(shù)據(jù)具有很高的價值，因此，如何記錄飛行器在各個飛行階段受到的壓力數(shù)據(jù)參數(shù)，并將這些壓力參數(shù)實時地傳到控制系統(tǒng)是系統(tǒng)設計的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)采編飛行器壓力數(shù)據(jù)模式下，根據(jù)控制飛行和實驗模擬得到參數(shù)計算各個階段設定的軌道，根據(jù)實際飛行的軌道與原設定運行軌道相比較，及時調(diào)整飛行姿態(tài)。但是，這種方式比較滯后，如果在變軌的關(guān)鍵點不及時進行調(diào)整，將導致嚴重事故。如果壓力傳感器可以將數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)飛行器受力情況，提前對飛行姿態(tài)進行調(diào)整，可以實現(xiàn)飛行器自動控制?；谝陨显?，設計出數(shù)字壓力傳感器的采編系統(tǒng)。

該設備安裝固定于飛行裝置，實時記錄飛行器發(fā)射之后飛行器中各部分參數(shù)。為了能夠更真實、更全面地反映飛行器的受力情況、狀態(tài)參數(shù)，以及受力測量精度，增加壓力測量點，這對以后飛行器改進以及飛行姿態(tài)的調(diào)整具有重要價值。

1 總體設計

高精度數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)設計由3 部分組成，首先是主要實現(xiàn)壓力信號采集的數(shù)字壓力傳感器，其次是主要控制多路壓力傳感器進行數(shù)據(jù)采集的傳感器變換器，并將編碼傳感器采集得到數(shù)據(jù)后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，最后是主要用于傳感器及其采編系統(tǒng)進行測試的地面測試臺，其功能主要是對傳感器以及測試系統(tǒng)進行測試，對系統(tǒng)接口進行模擬控制，可以打包數(shù)據(jù)傳送至上位機，進行上傳數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。本設計中最多44 路壓力傳感器能被傳感器變換器同時進行驅(qū)動。以FPGA 完成傳感器變換器對數(shù)字壓力傳感器的邏輯和數(shù)據(jù)編碼緩存功能的控制，并通過協(xié)議發(fā)送至422 接口，為了方便測試采編系統(tǒng)，設計以太網(wǎng)接口將地面測試臺與上位機鏈接，將采集回來數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機軟件進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)總體設計等如圖1 所示。

圖1 數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)組成原理圖

2 壓力傳感器敏感頭選擇以及構(gòu)造原理

2.1 數(shù)字壓力傳感器敏感頭的選擇

調(diào)研市面上的各種壓力敏感頭，考慮精度、測試量程，結(jié)合設計任務指標，泰科電子的2 款數(shù)字壓力敏感頭MS5803 和89BSD 滿足任務指標要求。2 種敏感頭的性能指標對比如表1 所示。

表1

通過對比2 款敏感頭的安裝方式和數(shù)據(jù)輸出方式不同，2 種壓力敏感頭在數(shù)據(jù)輸出方式SPI 模式與I2C 模式的對比如表2。

表2

同時考慮到本次設計傳感器的測點比較多，傳感器的較多的輸出線會對系統(tǒng)產(chǎn)生較多的負擔。在SPI 模式下考慮到共用時鐘線與數(shù)據(jù)線不能同時工作，也就無法實時傳送所有測點的壓力數(shù)據(jù)。而在I2C 模式下單個測點只需4 根線，能夠降低一半的電纜數(shù)量。經(jīng)過綜合考慮，2 種敏感頭數(shù)據(jù)輸出方式以及安裝方式89BSD 更適合本次設計。

2.2 壓力敏感頭89BSD 構(gòu)造原理

89BSD 的內(nèi)部構(gòu)造主要由傳感器接口以及壓阻MEMS 測試電橋組成，能夠?qū)⒉杉臏囟纫约皦毫δM量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成24 位數(shù)字數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)字接口發(fā)送出去，傳感器內(nèi)部通過選通開關(guān)、運算放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊以及PROM 及數(shù)字接口集成而成。選通開關(guān)根據(jù)89BSD 收到的命令，選通溫度以及壓力開關(guān)，選中信號經(jīng)過運算放大器放大到合適電壓，然后轉(zhuǎn)換成24 位數(shù)字量信號，數(shù)字濾波器將1 kHz 以下的信號濾除，提高數(shù)字傳感器精度，數(shù)字接口按照設定的輸出的格式發(fā)送出去。數(shù)字壓力敏感頭89BSD 構(gòu)造原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)字敏感頭89BSD 構(gòu)造原理圖

2.3 通信驅(qū)動電路設計

根據(jù)以上分析設計通信驅(qū)動電路的設計方案，采用P82B715 芯片，供電電壓為3.3 V，電源與地管腳需要接2 個電容，其中100 nF 的小電容用于濾除高頻電容，另一個1 μF 的大電容用于為供電不足時進行供電，在驅(qū)動電路的設計時，需要使用2 片P82B715 芯片，其中一片應盡量靠近數(shù)字壓力敏感頭，最好放置在數(shù)字壓力傳感器內(nèi)部；另一片應盡量靠近主控芯片，放置在傳感器變換器中，在兩條通信線上各有一個3 k 的上拉電阻，為防止信號失真，在壓力敏感頭和P82B715 之間的數(shù)據(jù)線上增加33 k的上拉電阻分擔灌電流，構(gòu)成完整的I2C 通信線路如圖3 所示I2C 通信驅(qū)動電路原理圖設計。

2.4 多路數(shù)據(jù)并行采編設計

傳統(tǒng)的采編模式下，對多路數(shù)據(jù)進行采集時，一般采用選通開關(guān)進行選通，在這種情況下采集的數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)多路傳感器并行采集，本次設計對采編模式進行優(yōu)化，對變換器負載的44 路傳感器分配獨立的I/O 口，F(xiàn)PGA 可以同時操作不同I/O 口，結(jié)合異步FIFO 完成數(shù)據(jù)的采集。傳感器每次完成1 次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得到的44×24 位數(shù)據(jù)為1 個完整的數(shù)據(jù)包，當向FIFO 時進行編幀，幀結(jié)構(gòu)如表3 所示。

圖3 I2C 通信驅(qū)動電路原理圖設計

表3 數(shù)據(jù)包編幀結(jié)構(gòu)圖

2.5 以太網(wǎng)接口電路設計

通過查閱相關(guān)資料及往年設計經(jīng)驗，本次設計以太網(wǎng)物理接口芯片采用PHY 芯片，可以邏輯電平信號與差分信號進行轉(zhuǎn)換，如需實現(xiàn)以太網(wǎng)通信則與介質(zhì)接口RJ45 鏈接即可，本次使用T1-6T 隔離變壓器作用于RJ45 介質(zhì)接口和W5300 輸出的差分信號線之間進行電平轉(zhuǎn)換來增加系統(tǒng)通信的可靠性，為得到150 MHz 時鐘信號需通過W5300 的內(nèi)部PLL 對輸入的25 MHz 時鐘信號倍頻，復位信號/REST 由FPGA控制。如圖4 所示W(wǎng)5300 接口電路原理圖設計。

圖4 W5300 接口電路原理圖設計

3 多路傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯設計

本系統(tǒng)主要注重于多路數(shù)據(jù)采集，重點介紹多路傳感器數(shù)據(jù)采集邏輯，首先傳感器變換器上電，向傳感器發(fā)送命令，進行CRC 校驗，校驗結(jié)束后，變換器控制傳感器進行采集，經(jīng)過發(fā)送轉(zhuǎn)換完成命令，設置采樣率后，對采樣進行計時，計時完成后，對數(shù)據(jù)進行采集如圖5 所示，如圖所示多路傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖。

圖5 多路傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

在實際使用過程中，需要對傳感器進行標定，采用標定好的壓力表做基準儀表對傳感器的標定，采用最小二乘法原理擬合實際測量的壓力值與采集數(shù)據(jù)的理論值，最終得到實際壓力值與傳感器測量值的函數(shù)關(guān)系式。

圖6 實驗數(shù)據(jù)擬合

通過多次實驗對比，系統(tǒng)測量的壓力值與壓力標準器測得值如圖7 所示，實驗結(jié)果表明兩者差值不超過2 kPa，測量精度不超過1‰。

在常溫常壓實驗室的環(huán)境下，數(shù)字壓力傳感器通過傳感器變換器控制采集數(shù)據(jù)，由上位機收到的溫度和壓力數(shù)據(jù)進行顯示，從圖可以看出，幀計數(shù)完整，沒有丟包，圖8 是對部分數(shù)據(jù)用Hex Edit 分析結(jié)果。

根據(jù)圖8 顯示數(shù)據(jù)，經(jīng)計算得到溫度為25.6 ℃，壓力為91.0 kPa，符合實際情況，說明傳感器正常工作，系統(tǒng)具有可行性。

圖7 系統(tǒng)測量值與實際值對比

圖8 Hex Edit 軟件中顯示的部分數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)整個系統(tǒng)可行性分析以及數(shù)字壓力傳感器及采編系統(tǒng)設計要求，經(jīng)過多次試驗測量的壓力值與標準壓力器得到的壓力值相比較，結(jié)果表明誤差小于2 kPa，測量精度誤差低于1‰，性能穩(wěn)定、可靠、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定和采集精度高滿足任務要求。

根據(jù)記錄實際壓力值Y與傳感器其測量值X得到方程Y＝AX+B，由最小二乘法，求出系數(shù)的A和B的值得到關(guān)系式

在上位機軟件中，當壓力為1 200 kPa 時，傳感器測量到的10 組數(shù)值求平均數(shù)代入上式，得到的系統(tǒng)測量的壓力值為1 200.66 kPa，系統(tǒng)精度為(1 200.66-1 200)/1 200 ＝0.000 555 ＝0.55‰。